轴电流对双馈异步风力发电机轴承破坏度与发展趋势及抑制策略的研究

In the 13th Five Year Plan of China, it is explicitly pointed out that renewable energy sources such as wind power generation will be promoted continually. Double Fed Induction Generator (DFIG) is one of the popular structures in wind power system. However the bearing currents problem in DFIGs will bring the premature of bearing failure, it also will induce wind turbines broken down and burned, and cause enormous economic losses. Hence it is important to study the damage degree of bearing currents and the degradation trend in DFIGs and put forward the corresponding mitigation strategies. In this project the relationship of the bearing damage degree and the bearing current strength will be investigated firstly. Then combing this relationship the converter-capacitance network-bearing co-simulation model will be built up and the bearing current will be calculated through field-circuit coupling method. The mitigation method of electric shielding on rotor side of the DFIG will be put forward, and the influence of shield structure on mitigation effect will be analyzed, the optimal design combining the cost of machine and safety bearing currents will be put forward. Finally, the experiment platform on the bearing currents research on the DFIGs will be established to verify the relationship between the bearing current strength and damage degree and check the mitigation strategy. Through executing the project, the key fundamental problem of bearing currents will be solved and the valuable scheme to solve the bearing currents in DFIG system will be provided.

国家十三五规划中明确指出要继续推进风电等可再生能源发电，双馈异步发电机目前仍是风力发电的主力机型，但其轴电流问题引起的轴承早期失效造成风电机组停机、烧毁，带来了巨大的经济损失。研究双馈异步风力发电机轴电流的破坏性与发展恶化趋势并提出相应的抑制策略，对轴承早期故障判断和降低此类故障的发生率具有重要的意义。本项目基于多物理场计算获取轴电流强度与轴承破坏度间的关联规律；将该规律与变流器-电机电容网络-轴承仿真模型相结合，采用场路耦合方法预测轴电流发展趋势；并提出一种转子侧静电屏蔽抑制轴电流的新方案，研究屏蔽体结构型式对轴电流抑制程度的影响，找出安全轴电流下屏蔽体及电机成本的最优组合；最后搭建小功率双馈异步风力发电机轴电流实验平台，验证轴电流强度与轴承破坏程度间的规律，并对新型抑制轴电流方案进行检验。实施本项目将解决轴电流分析的关键问题，为双馈风力发电系统轴电流问题的解决提供有价值的方案。

双馈异步发电机是目前主流的风力发电的主力机型之一，其转子上接变流器的控制方式使得电机更容易发生轴承电腐蚀问题，引起轴承早期失效，造成风电机组停机、烧毁。.本项目主要内容包括：基于多物理场计算获取轴电流强度与轴承破坏度间的关联规律；将该规律与变流器-电机电容网络-轴承仿真模型相结合，采用场路耦合方法预测轴电流发展趋势；提出一种转子侧静电屏蔽抑制轴电流的新方案，研究屏蔽体结构型式对轴电流抑制程度的影响；研究高频轴电流等效模型及参数确定方法，轴承击穿过程等效电气参数变化规律。.通过研究，得到以下重要结果：(1)随轴电流增大，轴承击穿点升温显著；随轴承击穿通道面积增大，电流密度减小，轴承温升降低。轴承击穿阈值电压随着电机转速的升高而增大、随着温度的升高而减小，随着载荷的增加而减小。随着相对粗糙度增加，轴承击穿阈值电压增大。轴承电容随着坑蚀直径增加而减小，随着坑蚀深度增加而增大；非健康轴承轴电压会大于健康轴承轴电压，使轴承电蚀的危害趋于增加。(2)双馈风力发电机转子绕组和转子铁心间的杂散电容是影响轴电压的关键因素，减小该电容可以抑制轴电压，继而降低轴电流。通过在转子绕组和转子铁心间添加绝缘层可以减小该电容，继而减小轴电压。对轴承部件绝缘可以一定程度上抑制轴电流，绝缘厚度较大时，绝缘端盖抑制轴电压效果较明显，但需要配合电刷才能抑制了轴电流。采用喷涂绝缘轴承不能有效抑制EDM高频轴电流。（3）提出新型高频轴电流模型以及参数确定方法；提出电机端部绕组杂散电容的解析计算模型，使得电机杂散电容的解析计算成为一个完整的体系；研究了轴承击穿电气参数，提出一种新的轴承击穿电路模型，结合电弧原理提出一种击穿电阻参数计算模型。.本项目对双馈风力发电系统轴电流问题的解决提供了有价值的方案。对轴电流与轴承破坏度关系的研究可以推广应用于轨道交通牵引电机、永磁同步风力发电机以及新能源汽车电机的轴电流问题中。